Intégration de données et XML

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1 Intégration de données et XML Groupe de recherche Bases de Données DEA SIR Dan VODISLAV CNAM Paris Plan Principes d intégration de données Classification et exemples Les mappings Intégration basée sur XML XML et relations Intégration de sources XML STYX Xyleme Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 2

2 1. Principes Intégration de données nouvelles applications autour du Web : commerce électronique, portails, communautés Web, etc. accès à des sources d informations très hétérogènes bases de données documents : HTML, XML, mail données multimédia : vidéo, son, images Objectif offrir un accès unique, homogène, à des sources hétérogènes Autonomie des sources les sources préexistent et ont une vie indépendante les unes des autres autonomie par rapport au système d intégration Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 3 Architecture générale requête réponse Modèle global Niveau d intégration Données matérialisées Wrapper 1 Modèle S 1 Wrapper n Modèle S n Source Source n Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 4

3 Composants Sources bases de données, fichiers, formulaires web Wrappers (traducteurs) interfaces entre les sources et le niveau d intégration le modèle des sources : description des sources pour l intégration Niveau d intégration vue uniforme, modèle global matérialisation possible de données intégrées Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 5 Particularités Modèle de données d intégration schéma global + description des schémas des sources mapping: modèle global modèles sources hétérogénéité des sources : format, vocabulaire, structure redondances et contradictions entre sources Distribution des données passage à l échelle problèmes de performances Transformation des données wrappers : les données des sources transformées vers le modèle global Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 6

4 Particularités (suite) Interrogation traduction de requêtes : modèle global modèle source tâche complexe, dépendant du langage de description des sources la traduction doit être saine : elle donne des réponses correctes pour la requête initiale complète : toutes les réponses de chaque source sont extraites efficace : seules les sources pertinentes pour la requête sont choisies optimisation difficile d avoir des statistiques sur les sources pour l optimisation les sources peuvent avoir des possibilités de traitement très différentes les temps de transfert sont difficiles à estimer Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 7 2. Classification Selon le degré de matérialisation entrepôt médiateur Selon la relation entre le modèle global et celui des sources «local-as-view» «global-as-view» Autres critères le modèle global : relationnel, XML, ontologie, logique le modèle de description des sources le type de mapping la taille : quelques sources, échelle du Web la complétude, les possibilités de relaxation,... Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 8

5 Médiateur et entrepôt de données Médiateur : accès direct aux sources approche «paresseuse», pas de matérialisation migration de requêtes vers les sources avantages : cohérence, données réelles inconvénients : performances, traduction de requêtes, capacités sources Entrepôt de données : accès efficace à une copie des données matérialisation des sources au niveau du modèle global migration de données vers l entrepôt avantages : performances, personnalisation des données, versions inconvénients : mise-à-jour, cohérence, volume de données Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 9 Architecture de médiation Q R=f(R 1,, R n ) Médiateur Wrapper 1 Q 1 R 1 Q n R n Wrapper n Migration de requêtes Source Source n Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 10

6 Architecture d entrepôt Q R Entrepôt D 1 + +D n Loader 1 Source 1 D D n Loader n Source n Migration de données Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 11 «Global-as-View» Le modèle global = vue sur les sources élément global = f(éléments des sources) M = V(S 1,, S n ) Avantages approche naturelle la traduction de requêtes se fait facilement «expansion» de la requête dans la vue Inconvénients nouvelle source modification du modèle global il faut considérer l interaction de la nouvelle source avec les autres Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 12

7 «Local-as-View» Les sources = vues matérialisées du modèle global une source décrit les données du modèle global qu elle peut fournir élément source = f(éléments modèle global) S i V i (M) Avantages les sources sont décrites indépendamment les unes des autres très simple de rajouter une nouvelle source Inconvénients traduction de requêtes plus complexe Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 13 Exemple «Global-as-View» TSIMMIS (Stanford) modèle semi-structuré OEM objet : <id, nom, type, valeur> langage de spécification de médiateur MSL règles : PM :- P 1,, P k, avec PM, Pi «patterns» Exemple Sources : informations sur les personnes d une université Inf :BDR avec des employés et des étudiants du département Informatique Employé(Nom, Prénom, Titre, Supérieur) Étudiant(Nom, Prénom, Année) Ann : Annuaire pour l université (nom, département, catégorie, , ) Médiateur : les personnes du département Informatique nom, catégorie, titre, supérieur, , année,... Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 14

8 TSIMMIS (suite) Wrapper Inf <&e1, employé, set, {&n1, &p1, &t1, &s1}> <&n1, nom, string, Dupont > <&p1, prénom, string, Michel > <&t1, titre, string, professeur > <&s1, supérieur, string, Jean Martin > <&s2, étudiant, set, {&n2, &p2, &a2}> <&n2, nom, string, Hugo > <&p2, prénom, string, Victor > <&a2, année, int, 2>... Wrapper Ann <&p1, personne, set, {&i1, &d1, &c1, &e1}> <&i1, nom, string, Michel Dupont > <&d1, dept, string, Informatique > <&c1, categ, string, employé > <&e1, , string, > <&p2, personne, set, {&i2, &d2, &c2, &y2}> <&i2, nom, string, Zoé Durand > <&d2, dept, string, Informatique > <&c2, categ, string, étudiant > <&y2, année, int, 3>... Médiateur <&pi1, pers_inf, set, {&nm1, &cm1, &tm1, &sm1, &em1}> <&nm1, nom, string, Michel Dupont > <&cm1, catégorie, string, employé > <&tm1, titre, string, professeur > <&sm1, supérieur, string, Jean Martin > <&em1, , string, >... Spécification MSL du médiateur <pers_inf {<nom N> <catégorie C> Reste1 Reste2}> :- <personne {<nom N> <dept Informatique > <categ C> AND decomp(n, NF, P) AND <C {<nom NF> <prénom P> Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 15 TSIMMIS (suite) Exemple de requête trouver toutes les informations sur Michel Dupont <pers_inf {<nom Michel Dupont Med substitution des éléments de la requête dans la définition du médiateur <pers_inf {<nom Michel Dupont > <catégorie C> Reste1 Reste2}> :- <personne {<nom Michel Dupont > < dept Informatique > < categ C> AND decomp( Michel Dupont, NF, P) AND <C {<nom NF> <prénom P> chaque source répondra à la sous-requête qui la concerne Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 16

9 Exemple «Local-as-View» Information Manifold (AT&T) modèle global : mélange de modèle objet et relationnel classes objets attributs valeurs relations: ensembles de nuplets contenant des objets ou des valeurs chaque classe C est une relation C(o) contenant les objets de la classe chaque attribut A est une relation A(o, v) avec les valeurs d attribut des objets sources vision «accès à une BD à travers des formulaires» contenu = vue sur le modèle global (requête conjonctive + inégalités) capacités = décrivent comment la source peut être exploitée paramètres d entrée (dans les requêtes) paramètres de sortie (dans les résultats) paramètres qui acceptent une sélection de type <paramètre><inégalité><valeur> Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 17 Information Manifold (suite) Exemple de modèle global titre createur Œ uvre date Artiste nom pays naiss Sculpture Peinture Peintre Sculpteur Exemple de description de source Nom de peintres nés après 1880 et les titres/dates de leurs peintures Contenu : S(o, p) Peintre(p), Peinture(o), createur(o, p), naiss(p) 1880 Capacités : in(s) = {titre(o), nom(p)}, min = 1 out(s) = {titre(o), date(o), createur(o), nom(p)} sel(s) = {date(o)} Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 18

10 3. Les mappings Mapping correspondance entre le schéma global et les schémas des sources utilisé pour la traduction des requêtes et la structuration des résultats Diversité les schémas : relationnel, XML, orienté-objet, entité-association les mappings : paires d éléments, fonctions, règles, degré de similarité Objectifs calcul automatique des mappings (autant que possible) validation par l utilisateur création d outils aussi génériques que possibles Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 19 Exemple de mapping S 1 : Client Numéro S 2 : Acheteur ID Société Compagnie Nom Contact Prénom Téléphone M : Client Acheteur M : Client Acheteur Client.Numéro Acheteur.ID Client.Numéro Acheteur.ID Client.Société Acheteur.Compagnie Client.Société Acheteur.Compagnie Client.Nom Acheteur.Contact conc(client.nom, Client.Prénom) Client.Prénom Acheteur.Contact Acheteur.Contact M : Client Numéro Société Nom m0 m1 m2 m3 Acheteur ID Compagnie Contact Prénom m4 m5 Téléphone Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 20

11 Outils génériques de calcul de mappings Approche modèle interne générique de schéma et de mappings schéma : éléments + structure (composition, héritage, association, lien) mappings : éléments S 1 + éléments S 2 + expression traduction : modèle externe modèle interne (schéma) modèle externe modèle interne (mapping) Architecture Appli 1 Appli 2 Appli 3 Dictionnaires, thésauri Importation schéma Exportation mapping Outil générique de calcul de mappings Modèle interne (schéma, mapping) Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 21 Techniques de calcul de mappings Utilisation du schéma uniquement granularité : mapping d éléments ou de structures d éléments cardinalité: mappings individuels - 1:1, 1:n, n:1, n:m linguistique : similarité des noms/descriptions des éléments égalité : stricte, forme canonique, synonymes, hypernymes sous-chaînes communes, distance d édition, similarité phonétique similarité indiquée par l utilisateur contraintes : type, domaine, multiplicité, valeur clé, cardinalité relations réutilisation : mappings déjà calculés pour des structures qui apparaissent souvent Utilisation des instances extraction de caractéristiques du schéma absentes dans sa description calcul de mappings d instances généralisés au schéma Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 22

12 Techniques (suite) Combinaison de plusieurs critères hybride : algorithme qui combine plusieurs critères composition : combinaison flexible de plusieurs algorithmes poids ajustables ordre d exécution flexible, un algorithme utilise les résultats d un autre Intervention de l utilisateur décision sur les mappings candidats nouveaux mappings loupés par le système paramétrage fin de la composition d algorithmes Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page Intégration basée sur XML Les avantages de XML sources : format naturel pour les documents wrappers : format d échange idéal, auto-descriptible, structuré, flexible médiateur : format général, indépendant du domaine d application intégration : un seul format peut décrire des données, des structures, des vocabulaires très hétérogènes Les principaux types de systèmes sources non-xml, médiateur XML sources XML, médiateur XML ou autre Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 24

13 XML et relations Pourquoi mélanger XML et relations? XML est très bien adapté à l échange et à l intégration mais les sources de données restent essentiellement relationnelles Un problème essentiel : données relationnelles documents XML publication de documents XML interrogation Opérations à réaliser pour la transformation extraction : extraction de nuplets de la source relationnelle structuration : création des structures imbriquées balisage : libellés («tags») associés aux structures Question : quelle est la stratégie la plus efficace? qui (source/wrapper), quand et comment réalise ces opérations? Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 25 Exemple de transformation Schéma relationnel Client(Id, Nom) Compte(Id, ClientId, No) Commande(Id, ClientId, CptId, Date) Produit(Id, CmdId, Desc) Document XML <client id="c1"> <nom> Jean Dupont </nom> <comptes> <compte id="cpt1"> B2345 </compte> <compte id="cpt2"> A9513 </compte> </comptes> <commandes> <cmd id="cmd1" compte="cpt1"> <date> 25/02/2003 </date> <produits> <prod id="p1"> Vin </prod> <prod id="p2"> Fromage </prod> </produits> </cmd> </commandes> </client> Requête SQL étendu select CLIENT(cl.Id, cl.nom, (select XmlAgg(COMPTE(cpt.Id, cpt.no)) from Compte cpt where cpt.clientid = cl.id), (select XmlAgg(COMMANDE(cmd.Id, cmd.cptid, cmd.date, (select XmlAgg(PRODUIT(p.Id, p.desc)) from Produit p where p.cmdid = cmd.id))) from Commande cmd where cmd.clientid = cl.id)) from Client cl; Constructeur XML Define XML Constructor CLIENT(clId: integer, clnom: varchar(20), cptliste: xml, cmdliste: xml) AS{ <client id=$clid> <nom> $clnom </nom> <comptes> $cptliste </comptes> <commandes> $cmdliste </commandes> </client> } Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 26

14 Commentaires sur l exemple Langage d extraction : SQL étendu constructeur de fragments XML agrégation de fragments XML : XmlAgg respect de l ordre sur les collections (pour XmlAgg) Les opérations de transformation structuration : requêtes imbriquées balisage : constructeurs XML Choix d implémentation possibles tout dans le moteur relationnel ou juste une partie le rapport extraction des nuplets structuration/balisage Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 27 Intégration de sources XML Deux systèmes: STYX et Xyleme approches caractéristiques pour petite et grande échelle STYX : petite échelle, communautés Web Xyleme : très grande échelle, tout le Web Brève comparaison STYX : modèle de médiation riche ontologie, mappings de chemins utilisant XPath complétude, jointure par clé problèmes : gestion manuelle, performances Xyleme : nombre de sources très important performances, passage à l échelle calcul semi-automatique des mappings problèmes : modèle plus simple, pouvoir d expression, complétude Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 28

15 STYX Médiateur pour communautés Web CNAM : B. Amann, I. Fundulaki, M. Scholl + C. Beeri (Tel Aviv) Caractéristiques données dans un domaine d application bien déterminé sources XML décrites par DTDs modèle global décrit par une ontologie mappings (chemin ontologie - chemin DTD XPath) approche «local-as-view» pas de matérialisation au niveau du médiateur notion de clé pour les jointures entre sources requêtes de type arbre dans l ontologie traduites en requêtes de type arbre dans les sources XML Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 29 STYX : le modèle du médiateur Ontologie schéma entité - association concepts : relation d héritage (ISA) rôles : associations binaires entre concepts réversibles : pour tout rôle, il existe un rôle inverse attributs : associés aux concepts type atomique nom_personne Personne String String String id nom_artefact effectue produit exposé_dans Artiste Activité Artéfact (effectué_par) (produit_par) (expose) technique (artefact) Musée nom_musée ville nom_technique Technique String String String Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 30

16 STYX : les sources Ressources XML identifiées par une URL décrites par une DTD Exemple : Œ uvres de peintres <!ELEMENT Collection (Peintre*)> <!ELEMENT Peintre (Peinture+, Sculpture+)> <!ATTLIST Peintre Nom CDATA #REQUIRED> <!ELEMENT Peinture (Technique?, Musee)> <!ATTLIST Peinture Titre CDATA #REQUIRED> <!ELEMENT Sculpture (Technique?, Musee)> <!ATTLIST Sculpture Titre CDATA #REQUIRED> <!ELEMENT Technique #PCDATA> <!ELEMENT Musee #PCDATA> Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 31 STYX : les mappings Publication d une source dans le médiateur spécification de l ensemble de mappings de la source A 1 : as u 1 Personne A 2 : u 1 /@Nom as u 2 nom_personne A 3 : u 1 /Peinture as u 3 effectue.produit A 4 : u 1 /Sculpture as u 3 effectue.produit A 5 : u 3 /Musee as u 4 exposé_dans.nom_musée Caractéristiques chemins XPath dans la source (langage puissant) utilisation de variables liées à des instances (fragments) XML factorisation de mappings (m+n mappings au lie de m*n) un même fragment de la source peut jouer des rôles différents Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 32

17 STYX : les requêtes Requêtes de type arbre dans l ontologie langage de type OQL Exemple trouver les titres des œ uvres de Van Gogh select x 3 from Personne x 1, x 1.nom_personne x 2, x 1.effectue.produit.titre x 3 where x 2 = "Van Gogh" remarque : des requêtes équivalentes sont possibles (ex. avec Artéfact comme racine et utilisant les rôles inverses) Personne effectue nom_personne Activité String ="Van Gogh" produit Artéfact titre String Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 33 STYX : les clés Clés pour les concepts de l ontologie clés sémantique, qui «identifient» un concept intuitivement : un attribut du concept (ex. nom musée, identifiant artéfact) plus généralement : ensemble de chemins d attributs partant du concept Jointure une instance de concept peut être éclatée entre plusieurs sources une requête est traduite vers toutes les sources différentes sources peuvent répondre avec des fragments d une instance fusion des fragments concernant une même instance de concept jointure basée sur l égalité des clés du concept Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 34

18 Xyleme Entrepôt de données XML à l échelle du Web projet INRIA (Verso) + LRI, CNAM, Univ. Mannheim commercialisé par Xyleme SA problèmes : passage à l échelle, hétérogénéité, changements architecture distribuée Principaux services acquisition de documents à partir du Web ou en local interrogation basée sur la structure notification de changements, gestion de versions intégration sémantique à travers des vues Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 35 Architecture fonctionnelle User Interface I N T E R N E T Web Interface Xyleme Interface Acquisition & Crawler Loader Change Control Query Processor Semantic Module Repository and Index Manager Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003

19 Architecture physique distribuée I N T E R N E T Change Control and Semantic Integration Change Control and Semantic Integration Acquisition and Maintenance Acquisition and Maintenance E T Index Index H Index E R N E Loader Query T Loader Query Repository Repository Repositorry Repository Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 37 Xyleme : intégration sémantique Organisation de données guidée par la sémantique classification suivant une hiérarchie prédéfinie de domaines domaine = cluster de documents XML Intégration de données de type entrepôt source = domaine (cluster) modèle global = vue sur les domaines plusieurs vues possibles en même temps dans l entrepôt schéma global (de vue) = DTD «abstraite» domaine «abstrait» de la vue = union domaines «concrets» des sources Approche mixte entrepôt / médiateur : les instances du schéma global non matérialisées global-as-view / local-as-view : mappings symétriques Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003

20 Définition de vues Domaine ensemble de clusters contenant des documents XML DTDs «concrètes» sous forme d arbre Schéma DTD abstraite = arbre de concepts Définition ensemble de mappings (chemin abstrait - chemin concret) Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 39 Exemple de vue Vue sur le cinéma domaine Cinema : clusters {Films, Acteurs, Spectacles} schéma: Movie Title Cast Year Director Cinema Actor Character Name Address Schedule définition: mappings DTD abstraite DTDs concrètes Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 40

21 DTD abstraite Rôle interrogation homogène de documents hétérogènes en termes de vocabulaire et de structure schéma de structuration unique des résultats interface d interrogation pour l utilisateur Structure: arbre de concepts pas de sémantique pour les liens, multiplicité * le chemin dans l arbre définit le contexte exemple: Movie/Cinema/Name Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 41 Exemples de mappings DTDs concrètes Quelques mappings film name author actor Movie film western videoclip movie_star/filmography/movie western name actor videoclip title people Movie/Title film/name western/name videoclip/title movie_star/filmography/movie/title movie_star filmography year movie title director Movie/Director film/author videoclip/people movie_star/filmography/movie/director Movie/Cast/Actor film/actor western/actor videoclip/people movie_star Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 42

22 Comparaison avec le relationnel Relationnel σ, π, join,... Xyleme DTD DTD DTD documents documents documents DTD DTD DTD documents documents documents mappings DTD abstraite documents abstraits Domaine Définition Schéma + extension Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 43 Comparaison (suite) Relations Clusters relations homogènes clusters très hétérogènes la définition ne peut pas se limiter à une simple requête plusieurs requêtes par DTD concrète! taille de la définition de vue beaucoup plus importante Manuel Automatique taille et hétérogénéité des données la vue ne peut pas être créée manuellement par l utilisateur outils de génération (semi-)automatique des mappings Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 44

23 Mappings Mapping = correspondance abstrait - concret correspondance de termes taille réduite et facile à générer requêtes: mauvaise précision et mauvaises performances correspondance d arbres (DTDs) le plus proche de la définition classique des vues requêtes: précision parfaite et très bonnes performances stockage coûteux et difficile (impossible) à générer correspondance de chemins le «bon compromis», bonnes propriétés pour tous les critères précision de génération automatique précision des requêtes Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 45 Génération automatique de mappings Absolument nécessaire gestion manuelle possible pour la DTD abstraite, mais impossible pour les mappings nb. de mappings proportionnel au nb. de DTDs concrètes Principes de génération automatique similarités entre mots lexicale: racine commune, mots composés, abréviations, etc. sémantique: synonymie, généralisation, etc. contexte d interprétation : le chemin Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 46

24 Annotation de la DTD abstraite Chaque concept (nœ ud) de la DTD abstraite unité de sens : l ensemble des mots "similaires" chaque mot: décomposé, forme racine ("stemming"), info langue contexte : nœ ud ancêtre important pour l interprétation transitivité identifiant : booléen pour marquer les nœ uds identifiants Movie US:{name, titre, } C : Movie Id : true Title Cast Year Actor Character Director Cinema Name Address Schedule Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 47 Phases Mise en correspondance sémantique concept abstrait mot concret, à l aide de l US factorisation des mots qui apparaissent souvent Mise en correspondance contextuelle un mapping de mots n mappings de chemins le contexte permet d éliminer des mappings incorrects Validation aide à la découverte de mappings incorrects ou manquants Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 48

25 Techniques contextuelles et de validation Contexte si contexte(a)=a, A C valide seulement s il existe un mapping de A vers un préfixe de C Validation découverte de concepts ou de zones concrètes peu mappées indication mappings douteux Remarque il vaut mieux ne pas perdre de mappings que d en avoir trop la traduction n accepte que des combinaisons valides de mappings Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 49 Bibliographie B. Amann, Intégration de Données, Cours DEA SIR 2001 (TSIMMIS) Y. Papakonstantinou, H. Garcia-Molina, J. Ullman, Medmaker: a mediation system based on declarative specifications, ICDE 1996 (Information Manifold) A. Levy, A. Rajaraman, J. Ordille, Querying heterogeneous information sources using source description, VLDB 1996 (Mappings) E. Rahm, P. Bernstein, A survey of approaches to automatic schema matching, VLDB journal, 2001 (XML et relations) J. Shanmugasundaram et al, Efficiently publishing relational data as XML documents, VLDB 2000 (STYX) I. Fundulaki, Intégration et interrogation de ressources XML pour communautés Web, thèse CNAM Paris, 2002 (Xyleme) S. Cluet, P. Veltri, D. Vodislav, Views in a large scale XML repository, VLDB 2001 Dan VODISLAV --- DEA SIR 2002/2003 Page 50